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IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用及原理

www.p-e-china.com 2017/11/15 14:32:45 来源:互联网 电力电子论坛

  通过对功率器件IGBT的工作特性分析、驱动要求和保护方法等讨论,介绍了的一种可驱动高压大功率igbt的集成驱动模块hcpl-3i6j的应用

  关键词:igbt;驱动保护电路;电源

  igbt在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。igbt集双极型功率晶体管和功率mosfet的优点于一体,具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。

  但是,igbt和其它电力电子器件一样,其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此,igbt的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点,是整个装置运行的关键环节。

  为解决igbt的可靠驱动问题,国外各igbt生产厂家或从事igbt应用的企业开发出了众多的igbt驱动集成电路或模块,如国内常用的日本富士公司生产的exb8系列,三菱电机公司生产的m579系列,美国ir公司生产的ir21系列等。但是,exb8系列、m579系列和ir21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能,而惠普生产的hclp一316j有过流保护、欠压保护和1gbt软关断的功能,且价格相对便宜,因此,本文将对其进行研究,并给出1700v,200~300a igbt的驱动和保护电路。

  1 igbt的工作特性

  igbt是一种电压型控制器件,它所需要的驱动电流与驱动功率非常小,可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。igbt的导通与关断是由栅极电压uge来控制的,当uge大于开启电压uge(th)时igbt导通,当栅极和发射极间施加反向或不加信号时,igbt被关断。

  igbt与普通晶体三极管一样,可工作在线性放大区、饱和区和截止区,其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究igbt的饱和导通和截止两个状态,使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

  2 igbt驱动电路要求

  在设计igbt驱动时必须注意以下几点。

  1)栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响,必须正确选择。当正向驱动电压增大时,.igbt的导通电阻下降,使开通损耗减小;但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流ic随uge增大而增大,可能使igbt出现擎住效应,导致门控失效,从而造成igbt的损坏;若正向驱动电压过小会使igbt退出饱和导通区而进入线性放大区域,使igbt过热损坏;使用中选12v≤uge≤18v为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使igbt误导通,一般负偏置电压选一5v为宜。另外,igbt开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值,使igbt在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。

  2)igbt快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下igbt的开关频率不宜过大,因为高速开通和关断时,会产生很高的尖峰电压,极有可能造成igbt或其他元器件被击穿。

  3)选择合适的栅极串联电阻rg和栅射电容cg对igbt的驱动相当重要。rg较小,栅射极之间的充放电时间常数比较小,会使开通瞬间电流较大,从而损坏igbt;rg较大,有利于抑制dvce/dt,但会增加igbt的开关时间和开关损耗。合适的cg有利于抑制dic/dt,cg太大,开通时间延时,cg太小对抑制dic/dt效果不明显。

  4)当igbt关断时,栅射电压很容易受igbt和电路寄生参数的干扰,使栅射电压引起器件误导通,为防止这种现象发生,可以在栅射间并接一个电阻。此外,在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管,其稳压值应与正负栅压相同。

  3 hcpl-316j驱动电路

  3.1 hcpl-316j内部结构及工作原理

  hcpl-316j的内部结构如图1所示,其外部引脚如图2所示。

  

 

  

 

  从图1可以看出,hcpl-316j可分为输入ic(左边)和输出ic(右边)二部分,输入和输出之间完全能满足高压大功率igbt驱动的要求。

  各引脚功能如下:

  脚1(vin+)正向信号输入;

  脚2(vin-)反向信号输入;

  脚3(vcg1)接输入电源;

  脚4(gnd)输入端的地;

  脚5(resert)芯片复位输入端;

  脚6(fault) 故障输出,当发生故障(输出正向电压欠压或igbt短路)时,通过光耦输出故障信号;

  脚7(vled1+)光耦测试引脚,悬挂;

  脚8(vled1-)接地;

  脚9,脚10(vee)给igbt提供反向偏置电压;

  脚11(vout)输出驱动信号以驱动igbt;

  脚12(vc)三级达林顿管集电极电源;

  脚13(vcc2)驱动电压源;

  脚14(desat) igbt短路电流检测;

  脚15(vled2+)光耦测试引脚,悬挂;

  脚16(ve)输出基准地。

  其工作原理如图1所示。若vin+正常输入,脚14没有过流信号,且vcc2-ve=12v即输出正向驱动电压正常,驱动信号输出高电平,故障信号和欠压信号输出低电平。首先3路信号共同输入到jp3,d点低电平,b点也为低电平,50×dmos处于关断状态。此时jp1的输入的4个状态从上至下依次为低、高、低、低,a点高电平,驱动三级达林顿管导通,igbt也随之开通。

  若igbt出现过流信号(脚14检测到igbt集电极上电压=7v),而输入驱动信号继续加在脚1,欠压信号为低电平,b点输出低电平,三级达林顿管被关断,1×dmos导通,igbt栅射集之间的电压慢慢放掉,实现慢降栅压。当vout=2v时,即vout输出低电平,c点变为低电平,b点为高电平,50×dmos导通,igbt栅射集迅速放电。故障线上信号通过光耦,再经过rs触发器,q输出高电平,使输入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。

  3.2驱动电路设计

  驱动电路及参数如图3所示。

  

 

  hcpl-316j左边的vin+,fault和reset分别与微机相连。r7,r8,r9,d5,d6和c12 起输入保护作用,防止过高的输入电压损坏igbt,但是保护电路会产生约1μs延时,在开关频率超过100khz时不适合使用。q3最主要起互锁作用,当两路pwm信号(同一桥臂)都为高电平时,q3导通,把输入电平拉低,使输出端也为低电平。图3中的互锁信号interlock,和interlock2分别与另外一个316j interlock2和interlock1相连。r1和c2起到了对故障信号的放大和滤波,当有干扰信号后,能让微机正确接受信息。

  在输出端,r5和c7关系到igbt开通的快慢和开关损耗,增加c7可以明显地减小dic/dt。首先计算栅极电阻:其中ion为开通时注入igbt的栅极电流。为使igbt迅速开通,设计,ionmax值为20a。输出低电平vol=2v。可得

  

 

  c3是一个非常重要的参数,最主要起充电延时作用。当系统启动,芯片开始工作时,由于igbt的集电极c端电压还远远大于7v,若没有c3,则会错误地发出短路故障信号,使输出直接关断。当芯片正常工作以后,假使集电极电压瞬间升高,之后立刻恢复正常,若没有c3,则也会发出错误的故障信号,使igbt误关断。但是,c3的取值过大会使系统反应变慢,而且在饱和情况下,也可能使igbt在延时时间内就被烧坏,起不到正确的保护作用, c3取值100pf,其延时时间

  

 

  在集电极检测电路用两个二极管串连,能够提高总体的反向耐压,从而能够提高驱动电压等级,但二极管的反向恢复时间要很小,且每个反向耐压等级要为1000v,一般选取byv261e,反向恢复时间75 ns。r4和c5的作用是保留hclp-316j出现过流信号后具有的软关断特性,其原理是c5通过内部mosfet的放电来实现软关断。图3中输出电压vout经过两个快速三极管推挽输出,使驱动电流最大能达到20a,能够快速驱动1700v、200-300a的igbt。

  3.3驱动电源设计

  在驱动设计中,稳定的电源是igbt能否正常工作的保证。如图4所示。电源采用正激变换,抗干扰能力较强,副边不加滤波电感,输入阻抗低,使在重负载情况下电源输出电压仍然比较稳定。

  

 

  当s开通时,+12v(为比较稳定的电源,精度很高)电压便加到变压器原边和s相连的绕组,通过能量耦合使副边经过整流输出。当s关断时,通过原边二极管和其相连的绕组把磁芯的能量回馈到电源,实现变压器磁芯的复位。555定时器接成多谐振荡器,通过对c1的充放电使脚2和脚6的电位在4~8v之间变换,使脚3输出电压方波信号,并用方波信号来控制s的开通和关断。+12v经过r1,d2给c1充电,其充电时间t1≈r1c2ln2;放电时间t2=r2c1ln2,充电时输出高电平,放电时输出低电平。所以占空比=t1/(t1+t2)。

  变压器按下述参数进行设计:原边接+12v,频率为60khz,工作磁感应强度bw为o.15t,副边+15v输出2a,-5v输出1 a,效率n=80%,窗口填充系数km为o.5,磁芯填充系数kc为1,线圈导线电流密度d为3 a/mm2。则输出功率

  pt=(15+o.6)×2×2+(5+o.6)×1×2=64w。

  变压器磁芯参数

  

 

  由于带载后驱动电源输出电压会有所下降,所以,在实际应用中考虑提高频率和占空比来稳定输出电压。

  4 结语

  本文设计了一个可驱动l700v,200~300a的igbt的驱动电路。硬件上实现了对两个igbt(同一桥臂)的互锁,并设计了可以直接给两个igbt供电的驱动电源。

 

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